酸碱处理技术在肌肉蛋白质分离加工中的应用

赵　雪,邹玉峰,韩敏义,陈　星,徐幸莲

(南京农业大学肉品加工与质量控制教育部重点实验室,江苏南京 210095)



酸碱处理技术在肌肉蛋白质分离加工中的应用

赵雪,邹玉峰,韩敏义,陈星,徐幸莲*

(南京农业大学肉品加工与质量控制教育部重点实验室,江苏南京 210095)

酸碱处理技术作为一种蛋白分离、加工技术在肉类加工领域得到了广泛的研究和应用。本文介绍了酸碱处理技术的基本原理及对蛋白质结构和加工特性的影响,其次综述了该技术在鱼类去腥、改善禽类产品凝胶品质以及制备功能食品中的应用及相关研究进展,同时对该技术存在的问题及发展趋势进行探讨,以期对该技术在肌肉蛋白质加工中的应用提供参考。

酸碱处理技术,蛋白质,肉品加工

蛋白质作为肉与肉制品中重要的化学组分,其含量及功能特性直接影响肉与肉制品的口感、颜色、风味等质量与感官品质[1]。目前,大量富含优质蛋白的肉品加工副产物以及低价值鱼类资源因其中的蛋白加工特性差,且与骨骼、脂肪、色素等难以分离而影响其经济价值[2]。现有的蛋白分离提取方法主要有机械分离法以及水洗法,但上述方法均存在一定缺陷,如在去骨分离过程中,会造成细胞破裂导致蛋白质变性、色素增加[3],而水洗法获得的蛋白得率低、且回收蛋白的功能特性较差。因此为提高低价值肉品原料的经济价值,改善分离蛋白功能特性,积极研发新型蛋白分离技术具有重要的现实意义。相对于传统处理技术,研究表明酸碱处理能够有效提高蛋白得率,改善分离蛋白功能特性,提高产品价值及利用率。

1986年McCurdy[4]首先将酸碱处理技术应用于鸡肉骨肉分离肉糜中,结果表明能够有效分离其中的优质肌肉蛋白,从而提升该加工副产品的经济价值。近十几年来,国外对酸碱处理肉制品技术的应用研究主要集中在鱼类蛋白分离加工方面,研究表明酸碱处理能够有效改善鳕鱼[5]、南极磷虾[6]、银鱼[7]、罗非鱼[8]、鲶鱼[9]等水产品的蛋白品质。2010年以来,多数研究集中于酸碱处理改善骨肉分离肉糜[2]、淘汰蛋鸡[10]、淘汰蛋鸭[11]、鸡腿肉[12]等低值禽肉肉制品品质及加工利用率等方面。目前对于酸碱分离蛋白的应用研究主要包括:利用酸碱分离蛋白生产鱼粉制品[13]、作为营养食品原料[14]、作为食品添加剂加入肉制品中改善产品品质[15]。然而国内对于该技术的研究则少见报道[16]。本文对酸碱分离技术的基本原理以及其对蛋白的影响进行阐述,并详细综述了该技术目前在肉品加工中的相关应用及研究进展,以期为相关研究者提供理论参考。

1　酸碱处理技术原理及方法

酸碱处理技术(pH-shifting method)是一种蛋白提取技术,又称为ISP技术(isoelectric solubilization/precipitation method),于20世纪90年代末发明并逐渐引用到肉品蛋白提取及加工中[17]。酸碱处理技术原理是利用大多数蛋白质处于极性环境时会从细胞中溶解出来,当调节溶解液pH至蛋白质等电点时,由于外层电荷受到破坏,蛋白质分子之间会发生聚合沉淀并从溶液中析出,从而达到分离提取蛋白的目的。

图1　酸碱处理提取蛋白流程图Fig.1　The isoelectric solubilization/precipitation processfor protein isolates as performed in the laboratory

酸碱处理提取蛋白方法主要包括如下步骤:绞碎的原料肉与去离子水匀浆;调整匀浆液pH为酸性(2.5～3.5)或碱性(10.8～11.2),使肌肉蛋白在极端的酸性或碱性条件下溶解,其中只有极少数蛋白,如结缔组织蛋白、膜蛋白以及部分发生变性的细胞骨架蛋白不溶解;将匀浆液离心后去除底层不溶杂质沉淀(包括皮、碎骨等)及最上层脂肪,中间层主要是溶解的蛋白溶液;将蛋白溶液的pH调至蛋白质等电点,回收蛋白沉淀。回收的蛋白质水分含量较高,可以通过挤压或二次离心将水去除,最终将蛋白调至需要的pH[18]。

2　酸碱处理技术对蛋白功能特性的影响

蛋白质经酸碱处理后其结构发生改变,对分离提取后蛋白质的结构、溶解性及分子间相互作用力等均可造成显著的影响。酸碱处理过程中,蛋白发生部分解折叠。蛋白的解折叠导致蛋白构象和结构发生改变并影响复折叠(pH调至中性)后蛋白的功能特性。

研究发现酸处理和碱处理得到的蛋白组成和含量皆有不同。目前的研究发现,酸处理后肌原纤维蛋白的蛋白变性程度大于碱处理[19-20]。电泳图谱显示,对于酸处理蛋白,分子量较大的蛋白有所损失,低分子量蛋白有所形成。而对于碱处理蛋白,大分子量蛋白变性分解后重新聚合,形成了分子量大于肌球蛋白重链的蛋白[21]。付庆[22]在研究酸碱处理对鲢鱼鱼糜品质的影响过程中,发现了常规水洗法中,肌球蛋白重链和轻链、肌动蛋白、肌钙蛋白、以及小分子清蛋白都存在。而酸法制备鱼糜中,肌球蛋白重链占据了最主要的组分,其他蛋白组分包括各种水溶性蛋白比例均有显著下降,而碱法制备的鱼糜中,肌球蛋白重链也占主要成分,但是相比于酸法,其他蛋白如肌钙蛋白及小分子清蛋白相对含量要高。对酸碱处理过程中肌球蛋白的变化进行研究发现,在酸性条件下肌球蛋白头部可能由于静电斥力完全分解成圈螺旋卷曲状,在碱性条件下则不发生这种改变。但是两种条件下肌球蛋白重链的头部都发生构象改变,变为溶融态球体,并且大部分的肌球蛋白轻链消失[23]。

蛋白质的盐溶性是评价蛋白功能性的重要指标,研究表明酸碱分离蛋白中的盐溶性蛋白含量较低[24]。Vareltzis等[25]研究贻贝分离蛋白发现碱溶解分离蛋白的盐溶蛋白含量较酸溶解分离蛋白高。Sofia[26]在研究鲱鱼分离蛋白时,发现当将回收pH从5.5调整到6.5时,其分离蛋白盐溶性从19%提升至59%,说明调整回收pH能够显著提升分离蛋白的盐溶性。

酸碱处理可改变蛋白质间的相互作用力。采用共聚焦显微镜对酸碱处理和对照组蛋白结构进行观察,用双重染色法对蛋白和油脂进行染色,可以观察到未酸碱处理的对照组有均匀的蛋白结构以及大量、丰富的油滴,表明酸碱处理组蛋白有聚集现象,此外,酸碱处理可使蛋白表面疏水性增加[26]。Mohan等[27]的实验也证明,通过酸碱处理在等电点pH5.5处回收蛋白能够使蛋白间形成疏水交联,同时生成二硫健。Hordur[28]研究酸碱分离鳕鱼肌球蛋白发现,在溶解pH为11时,获得的蛋白表面疏水性最高。

3　酸碱处理技术在食品工业中的应用

3.1酸碱处理技术在水产品脱腥方面的应用

水产品肌纤维骨架蛋白结构复杂,且其中含有丰富血液、脂肪、色素等其它成分,因此蛋白分离困难且不易保持稳定[29]。研究表明,与水洗法相比,酸碱法处理鱼类蛋白能显著提高蛋白得率,避免水洗法造成的蛋白损失,同时酸碱处理可改善分离蛋白凝胶特性并去除鱼腥味。目前酸碱处理技术在水产品中的应用主要集中于产品脱腥方面,其机理在于蛋白质在极酸、极碱的条件下会溶解展开,原来与蛋白质结合的腥味物质与蛋白质分开,此外蛋白之间的脂质和色素在处理过程中溶出,抑制脂肪氧化腥味的形成;当采用有机酸进行提取时,其抑菌、消除组胺作用,以及对螯合金属离子的螯合都有助于减少腥味物质的产生,有机酸处理还能够有效降低蛋白中的微生物存活率,提高产品的储藏稳定性,从而减少在微生物作用过程中产生的不愉快气味[30]。通常用于处理鱼类蛋白脱腥的酸有醋酸,柠檬酸,苹果酸等,碱有氢氧化钠、氢氧化钾等。

付湘晋[31]对酸碱处理去除白鲢鱼鱼腥方法进行研究,结果表明当调整pH为2.3和11.8时,白鲢鱼肌肉蛋白对腥味物质的吸附能力明显低于pH7.0,此外碱法处理的鱼腥味、土霉味脱除效果较好。然而张乾元[32]对厚壳贻贝粉及其酸碱处理得到的提取物腥味值进行比较发现,碱性条件浸提所得提取物的腥味和异味较重,酸性条件浸提可以有效减少贻贝粉提取物的腥味以及其他不愉快的气味,这可能是由于酸性条件更利于贻贝粉中的一些可产生腥味和异味的胺类和氨基酸类物质的水解,从而降低了其腥味和异味。王方[33]研究采用酸碱法对鲫鱼鱼糜的腥味进行改善,发现与水洗法脱腥相比,酸碱处理能有效地去除鲫鱼的鱼腥味和土霉味,这是由于酸碱处理可通过去除富集在鱼肉的脂肪组织中的土臭素和2-甲基异冰片,从而达到去除鲫鱼腥味的目的。

3.2酸碱处理技术在禽类蛋白凝胶功能特性改善方面的应用

酸碱处理技术可以改善禽肉蛋白的凝胶、乳化等加工特性,其原理主要是基于在酸碱处理过程中蛋白变性、复性中的结构变化。研究表明蛋白经酸碱处理后,蛋白的表面疏水基团充分暴露,增强了蛋白分子之间的疏水作用力,有助增加凝胶强度,提高乳化能力[34]。Dileep等[35]对不同pH溶解条件下鸡腿肉蛋白凝胶特性进行研究,结果表明当处理pH为11.5、12.0时与未处理组相比活性巯基含量与蛋白提取率均显著增加,但三个处理组的肌原纤维蛋白疏水性间无显著差异,证明表面疏水基团的比例比其数目更能反应疏水能力的大小。此外酸碱处理过程中蛋白质巯基氧化形成的二硫键及蛋白质聚集可促进并增强凝胶网络的形成及强度[20,25]。

酸处理与碱处理对分离蛋白质溶解度及凝胶强度有显著影响。Yuliya Hrynets等[36]对酸碱处理鸡骨肉分离肉糜蛋白溶解度进行研究发现,当pH从1.5至7时溶解度逐渐增大,在pH为11.5时溶解度达到最大值,而pH继续增加时,溶解度反而下降。Patroklos K[37]指出在酸碱处理过程中,溶解pH对所得蛋白凝胶特性有显著影响,且得到凝胶的硬度、弹性等品质指标与其原材料品种之间有较高的相关性。

近年来研究表明,该技术在禽肉制品及加工副产物再利用等方面有较大的研究价值。Nurkhoeriyati等[11]对酸碱处理淘汰蛋鸭蛋白凝胶研究表明,与未处理组相比,酸碱分离蛋白的凝胶品质,凝胶强度及持水力均得到显著改善。Zied Khiari[15]等研究表明,ISP蛋白可被用于肉制品添加剂改良肉品加工特性。添加酸碱处理禽肉蛋白能够有效减少肉制品的蒸煮损失和形状收缩。考虑到产品的接受度,添加不超过10%的ISP蛋白作为添加剂是比较合适的量。OZIMEK[4]等对比研究了酸碱处理与机械分离法对鸡骨残留蛋白的功能及营养特性,结果表明酸碱法处理较机械去骨法得到的蛋白具有更好的稳定性,但在氮溶解指数,吸水特性,乳化能力以及热凝胶强度等方面尚有待改善。

3.3酸碱处理技术在复合凝胶营养产品开发方面的应用

酸碱分离蛋白作为一种具有优质加工特性的原料,与添加剂配合使用研究其对蛋白凝胶特性的影响成为目前研究的热点。研究表明,向酸碱分离蛋白中添加其它物质有助于改善凝胶产品品质,提高产品的营养功能,改善酸碱处理对蛋白变性可能造成的产品质量缺陷及营养损失。

Reza Tahergorabi等[38]发现向ISP处理得到的分离蛋白中添加1 g/100 g的二氧化钛后,其白度值与未处理鸡胸肉无显著差异,表明二氧化钛可通过增加分离蛋白凝胶的亮度从而改善产品的白度值,同时研究表明,向ISP分离蛋白中加入二氧化钛可增加凝胶强度[39]。Reza等[40]向酸碱提取鱼蛋白中加入不饱和脂肪酸(包括亚麻籽油、鱼油、藻油、磷虾油以及混合油)研究其对蛋白营养功能的影响,结果发现随着多不饱和脂肪酸比率的增加,分离蛋白的致血栓性、致动脉粥样化的能力降低,所得的凝胶有轻微腐臭,但在可接受范围内。此外,Alicia等[41]向阿拉斯加鳕鱼鱼糜中添加0%～8%长链纤维素,发现长链纤维在蛋白凝胶中可形成一个物理的水聚集区域,使蛋白结构间的化学键更加稳定。目前研究表明纤维-蛋白之间的相互作用是通过水以物理化学形式进行介导的。有学者对膳食纤维结合不饱和脂肪酸对ISP蛋白的协同作用进行研究,发现膳食纤维及脂肪酸共同加入对流变特性的改善有协同作用并有利于更好的凝胶,其中膳食纤维能够使蛋白脱水,增加蛋白聚集程度。脂肪酸能够通过填充蛋白矩阵中的空位进行固定。差示扫描量热法结果表明膳食纤维和不饱和脂肪酸并没有影响鱼分离蛋白的正常变性。所得产品的色泽特征受到轻微影响,但膳食纤维和脂肪酸的加入可有效改善鱼糜的营养特性[42]。

此外酸碱分离蛋白与其它添加物配合使用能够在不影响蛋白凝胶品质的前提下降低食盐用量并提高产品的营养价值。邵俊杰等[43]研究发现,酸碱处理技术可以减少鸡胸肉凝胶形成过程中钠盐的需要量,因此酸碱处理在加工低钠肉制品方面有应用前景。Reza[44]等用酸碱处理的方法对虹鳟鱼(除去骨骼、表皮以及鳞片)进行处理,得到的产品富含二十二碳六烯酸,在钠盐含量较少的情况下有良好的颜色和质构特性,并且凝胶性能有所提升,同时该产品中也添加了二氧化钛,马铃薯淀粉,磷酸盐和转谷酰胺酶,结果表明该复合凝胶产品对心血管疾病有显著改善作用,因此采用酸碱处理方法从低价值的肉类副产物中提取蛋白并制备功能食品是可行的。此外与酸处理相比,碱处理获得的蛋白中必需氨基酸含量更高,在氨基酸组成方面,酸碱分离蛋白的营养价值高于大豆蛋白,与牛奶蛋白类似,但是稍低于鸡蛋蛋白[45]。因此ISP处理得到的分离蛋白和脂肪的营养和安全特性完全符合人类的需求。但是运用酸碱处理技术提取的水产品蛋白对健康的影响还需要进一步的研究。

3.4酸碱处理技术的其他应用

近年来研究者们将该种方法应用到其他肉品加工领域。有学者研究热处理、甘油以及ISP蛋白含量对阿根廷鳀鱼ISP处理蛋白成膜特性的影响,发现利用该类分离蛋白制备一种均匀、拉伸性好的可食用膜是完全可行的。在低温、低蛋白和甘油含量下获得的膜有最低的溶解性、延展性以及最高的拉伸强度[46]。Nuria等利用酸碱分离技术从鳕鱼中获得分离蛋白,进而制备成蛋白粉,说明利用该种方法加工蛋白粉有其发展前景[47]。

4　结论与展望

通过探讨酸碱处理技术对肌肉分离蛋白品质的影响,表明酸碱分离技术作为一种食品蛋白分离技术,非常适合应用在低价值肉制品蛋白分离以及劣质蛋白改性方面,其在提升肉品风味,改善蛋白品质,生产复合型功能食品等方面表现出独特的优势,它是肉制品加工副产物蛋白回收的一条新途径,为提升该类产品的市场价值提供了广泛的前景。

近年来,酸碱处理技术在肉制品蛋白分离加工中的应用研究取得了一定的进展,但仍需进一步的研究,如蛋白的动物消化实验、风味感官评定等等。除此之外,酸碱分离蛋白的冻藏稳定性以及氧化特性也值得更多的关注。此外,酸碱分离蛋白对人体健康的影响还值得深入研究。

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A review of the application of isoelectric solubilization/precipitation method in meat proteinseparation and processing

ZHAO Xue,ZOU Yu-feng,HAN Min-yi,CHEN Xing,XU Xing-lian*

(Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control,Ministry of Education,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Isoelectric solubilization/precipitation method was widely investigated and applied for protein extraction and separation. Following the introduction to the principle of the method,protein conformation changes during the process are described. Focus is then placed on summarizing the applications of the method,which include removal of off-flavors,improvement of gelation properties and help function food production. Some suggestions for further studies are finally listed.

isoelectric solubilization/precipitation method;protein;meat product

2015-10-16

赵雪(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：肉品质量安全控制，E-mail:2014108062@njau.edu.cn。

徐幸莲(1962-)，博士，教授，研究方向：畜产品加工与质量控制，E-mail：xlxu@njau.edu.cn。

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-42)；国家自然科学基金项目(31171707)。

TS251.9

A

1002-0306(2016)11-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.072